水電站課程設(shè)計(jì)

1、水電站課程設(shè)計(jì)說明書院 系：水電學(xué)院專 業(yè)：水利水電工程姓 名：學(xué) 號(hào)：指 導(dǎo)：目錄第一章基本資料1第二章機(jī)組臺(tái)數(shù)與單機(jī)容量的選擇 2第三章水輪機(jī)型號(hào)、裝置方式的確定 2第四章水輪機(jī)特性曲線的繪制 9第五章蝸殼的設(shè)計(jì)11第六章尾水管的設(shè)計(jì)12第七章發(fā)電機(jī)的選擇14第八章調(diào)速設(shè)備的選擇16第一章 基本資料某梯級(jí)開發(fā)電站， 電站的主要任務(wù)是發(fā)電， 并結(jié)合水庫特性、 地區(qū)要求可發(fā)揮水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。 電站建成后投入東北主網(wǎng)， 擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)相及少量的事故備用容量，同時(shí)兼向周邊地區(qū)供電。該電站水庫庫容小不擔(dān)任下游防洪任務(wù)。經(jīng)比較分析，該電站壩型采用混凝土重力壩，廠房型式為引水式。經(jīng)水工模型試驗(yàn)，采

2、用消力戽消能型式。經(jīng)水能分析，該電站有關(guān)動(dòng)能指標(biāo)為：水庫調(diào)節(jié)性能年調(diào)節(jié)保證出力4萬 kw裝機(jī)容量16萬 kw多年平均發(fā)電量42000 kwh最大工作水頭38.0 m加權(quán)平均水頭36.0 m設(shè)計(jì)水頭36.0 m最小工作水頭34.0 m平均尾水位152.0 m設(shè)計(jì)尾水位150.0 m發(fā)電機(jī)效率96%-98%- 1 -第二章 機(jī)組臺(tái)數(shù)與單機(jī)容量的選擇水電站總裝機(jī)容量等于機(jī)組臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量的乘積， 在總裝機(jī)容量確定的情況下可以擬訂出不同的機(jī)組臺(tái)數(shù)方案，當(dāng)機(jī)組臺(tái)數(shù)不同時(shí)，則當(dāng)單機(jī)容量不同，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速也就不同。有時(shí)甚至水輪機(jī)的型號(hào)也會(huì)改變，從而影響水電站的工程投資、運(yùn)行效率、運(yùn)行條件以及產(chǎn)品供

3、應(yīng)。在確定水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量時(shí)，綜合考慮下面的因素：（一） 機(jī)組臺(tái)數(shù)與工程建設(shè)費(fèi)用的關(guān)系；（二） 機(jī)組臺(tái)數(shù)與設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝及樞紐布置的關(guān)系；（三） 機(jī)組臺(tái)數(shù)與水電站運(yùn)行效率的關(guān)系；（四） 機(jī)組臺(tái)數(shù)與水電站維護(hù)的關(guān)系；（五） 機(jī)組臺(tái)數(shù)與電氣主接線的關(guān)系；從而初步確定水電站采用4 臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量4 萬千瓦。4 萬千瓦 4=16 萬千瓦滿足水電站要求。第三章 水輪機(jī)型號(hào)、裝置方式的確定由基本資料，根據(jù)水電站的工作水頭范圍，在反擊式水輪機(jī)系列型號(hào)譜表中查得 HL240 型水輪機(jī)和 ZZ440 型水輪機(jī)都可以使用。這樣，將兩種水輪機(jī)列入比較方案，并對(duì)其主要參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算。（一）

4、HL240 型水輪機(jī)的方案主要參數(shù)的計(jì)算1、確定水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑- 2 -由 N= 9.81H r Q和 Q1Q可得 D1N3/ 2 （ 4-50）2H. QHDr9 811r1HL240 型水輪機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速 n1072.0(r / min) ，在 HL240 型水輪機(jī)主要綜合特性曲線上查得單位流量 Q11240 L/s。由于轉(zhuǎn)輪直徑尚未確定， 原型水輪機(jī)的效率 目前不能求出， 初步假定原型水輪機(jī)在該工況點(diǎn)的效率為 92%。則由公式（ 4-50）可得到 D1400004.07 m9.81 1.240 36.03 / 292%轉(zhuǎn)輪直徑應(yīng)該符合水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列。 通常是選用比計(jì)算值大的標(biāo)準(zhǔn)

5、直徑作為水輪機(jī)的標(biāo)稱直徑。查表 4-6，取與之接近而偏大的標(biāo)準(zhǔn)直徑 D1410 m。2、效率修正值計(jì)算可查得 HL240 型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的最高效率92.0% ，模型轉(zhuǎn) 輪 直 徑D1M0.46 m ， 則 原 型 水 輪 機(jī) 的 最 高 效 率 為max1 (1 M max )5D1MD11 (1 0.92)5 0.46 0.946 94.6% 3.3考慮到制造工藝水平的情況取1% ，由于水輪機(jī)所應(yīng)用的蝸殼和尾水管的型式與模型基本相似，故認(rèn)為0 ，則效率修正值maxM max0.018水輪機(jī)在限制工況（也即設(shè)計(jì)工況）點(diǎn)的效率應(yīng)為M0.9040.0180.922與原來的假定基本符合。- 3

6、 -3、確定水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的公式n10 HnD1其中 n10 為最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，即 n10n10 Mn1HL240 模型水輪機(jī)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n1072 r/min，H 采用設(shè)計(jì)水頭，則水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算值值為n10 H r7236.0105.37 （r/min ）n4.10D1查表4-7，選用與之接近而偏大的發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。取n107.1r/min 。4、確定水輪機(jī)的吸出高根據(jù)選到的 D14.10 m,n107.1 r/min和水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭H r36.0 m可計(jì)算出在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)水輪機(jī)的最大單位流量Q 1m ax 和相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速 n1r 。根據(jù)式（ 4-50）得Q1maxN40

7、0001.03（m3/s）3/ 29.814.10236.03/ 29.81D12 H r0.92nD1107.1 4.1073.2 （r/min ）n1 r36.0H r由 Q1max 和 n1r 可在圖 4-4 中查出對(duì)應(yīng)的空蝕系數(shù)為0.20 ，從圖 3-16中可查得空蝕系數(shù)的修正值0.032 ，由此可求得水輪機(jī)的吸出高為H s 10.0() H r900- 4 -10.01520.032)36.01.48(m)(0.20900( 注：對(duì)于水電站站址處海拔高度，在初步計(jì)算時(shí)可采用水電站尾水的平均水位。 )5、工作范圍的驗(yàn)算在最大水頭 H max38.0m 時(shí)，有n1minnD1107.14

8、.1H max71.23r / min38.0在最小工作水頭 H min36.0m 時(shí)，有n1minnD1107.14.1 73.19r / minH min36.0在HL240型水輪機(jī)的模型綜合特性曲線圖上，分別畫出Q1 max1240L/s ， n1 min71.23r/min 和 n1 max73.19r/min 的直線，三線所包圍的水輪機(jī)工作范圍包含了該特性曲線的高效區(qū).所以該設(shè)計(jì)是合理的。(二) ZZ440 型水輪機(jī)的方案主要參數(shù)的計(jì)算1、轉(zhuǎn)輪直徑 D1 的計(jì)算N rD1=39.81Q1 H 1 2對(duì)于 Q1 值，可由附表水輪機(jī)主要參數(shù)查得該型水輪機(jī)在限制工況下的 Q11.65 m3

9、s , 同時(shí)還查得汽蝕系數(shù)0.72 。但在允許的吸出高H s4m 時(shí)，則相應(yīng)的裝置汽蝕系數(shù)z 為：10.0H s 10.01524900z9000.384 0.72H36所以，為滿足對(duì)吸出高的限制，Q1 值可在 ZZ440 型綜合特征曲線- 5 -圖上依工況點(diǎn) (n10115,0.384) 查得 1.08 m3s . 同時(shí)亦可查該工況點(diǎn)上 M 87.5 ，由此可初步假定水輪機(jī)的效率為90.5 .將以上各之代入上式，便可求得：D1408164.44m9.811.0830.90536 2選擇標(biāo)注直徑 D1 =4.5m.2、效率修正值計(jì)算對(duì)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，葉片在不同轉(zhuǎn)角時(shí)的最大效率max 可用公式

10、計(jì)算，即：max1 (1M max ) 0.30.75D1M10 HMD1H已知 D1M 0.46m, H M3.5m, D14.5m, H r36m 代入上式，則得：max1 (1M max ) 0.30.75 0.4610 3.510.651(1M max )4.536葉片在不同轉(zhuǎn)角時(shí)的M max 值可自圖 ZZ440型水輪機(jī)模型綜合特性曲線查得， 由此便可用上式求的相應(yīng)于該角時(shí)的水輪機(jī)最高效率 max ，并將計(jì)算結(jié)果列于表 3-2.表 3-2 ZZ440 型水輪機(jī)效率修正值計(jì)算表葉片轉(zhuǎn)角( )-10-50+5+10+15M m ax ()84.988.088.888.387.286.0m

11、 ax ()90.292.292.792.491.790.9maxM max ()5.34.23.94.14.54.9- 6 -( )4.33.22.93.13.53.9當(dāng)選取制造工藝影響的效率修正值11和不考慮異形部件的影響時(shí)，便可計(jì)算得不同角時(shí)效率修正值為：maxM max1將的計(jì)算結(jié)果亦同時(shí)列入表3-2 中。由附表水輪機(jī)主要參數(shù)查得在最優(yōu)工況下模型的最高效率M max89 ，由此最優(yōu)工況很接近于0 的等轉(zhuǎn)角線，故采用效率修正值2.9 ，這樣便可得出原型水輪機(jī)的最高效率m ax 為：max 0.890.029 91.9已知在限制工況(n10115, Q11.08) 模型的效率為： M 87

12、.5，而該點(diǎn)處于5 與10兩等角線之間，用內(nèi)插法可求得該點(diǎn)的效率修正值為3.39，由此可求得水輪機(jī)在限制工況下的效率為：0.8750.033990.89與假定的效率 90 .5差1.19小于 3，所以不用修正。3、轉(zhuǎn)速的計(jì)算由于n1max10.9190.0160.03n101MM max0.89所以不考慮 n10 的修正，由此求得水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n10H a115 36nD1153.33 r min4.5選用與之接近的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速n=166.7 r min4、工作范圍的驗(yàn)算在選定的 D14.50m, n166.7 r min 的情況下，水輪機(jī)Q1 max 為：- 7 -40816Q1 max9

13、.814.5236320.9191.035 m3s則水輪機(jī)的最大引用流量Qmax 為：Qmax Q12max D1 Hr 1.035 4.52 36 125.75m3s各特征水頭下相應(yīng)的n1值列表如下 :表 3-3項(xiàng)目H m axH rH min水頭（ m）383634單位轉(zhuǎn)速121.69125.03128.65n1 ( r min )在 ZZ440型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上分別繪出Q 1max 1.035m 3 / s , n1min121 .69r/min , n1 max128.65r/min的直線，三線所包圍的水輪機(jī)工作范圍包含了該特性曲線的部分高效區(qū). 所以該設(shè)計(jì)是不合理的 .5、

14、吸出高程 H s 的計(jì)算由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況（n1r125.03, Q1max1.035 ）在 ZZ440 型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上查得相應(yīng)的汽蝕系數(shù)0.34 ; 由設(shè)計(jì)水頭H r 36.0m 在汽蝕系數(shù)的修正曲線圖上查得0.03 ，則可求得水輪機(jī)的吸出高為：H s 10.0()H 10.0152363.49m4.0m(0.34 0.03)9009006、安裝高程Z AH s xD1 1503.49 0.3964.5148.29 m- 8 -（三）兩種方案的比較由上表可見 ,HL240 型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑比ZZ440 型的小 , 而且HL240 型水輪機(jī)方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域,

15、 運(yùn)行效率較高氣蝕系數(shù)較小 , 安裝高程較高 , 有利于提高年發(fā)電量和減少電站廠房的開挖工程量 .ZZ440 型水輪機(jī)方案的機(jī)組轉(zhuǎn)速較高 , 有利于減少發(fā)電機(jī)的尺寸 , 減低發(fā)電機(jī)的造價(jià) , 但是 , 這種機(jī)型的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的造價(jià)較高 . 根據(jù)以上分析 , 在制造供貸方面沒有問題時(shí) , 初步選定HL240型的方案比較有利 .（四）裝置方式的確定在大型水電站中，其數(shù)輪發(fā)電機(jī)組的尺寸較大， 安裝高程也較低，因此其裝置方式多采用豎軸式，這樣使發(fā)電機(jī)的安裝位置不容易受潮，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)效率較高， 而且水電站廠房的面積較小，設(shè)備布置較方便。第四章水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線是針對(duì)原型水輪機(jī)繪

16、制的 , 它直接的反映了原型水輪機(jī)在各種工況下的特性 , 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線是在轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速為常數(shù)時(shí) , 以水頭 H 為縱坐標(biāo)和出力 N 為橫坐標(biāo) , 繪制的幾組等值線.1、等效率線 . 的計(jì)算與繪制在水輪機(jī)工作水頭變化范圍內(nèi)取H max , H r , H min 三個(gè) H 值, 繪出對(duì)- 9 -應(yīng)每個(gè) H 值的工作特性曲線 , 在該圖上作出各效率的直線 , 與圖中的各線相交 , 讀出所有交點(diǎn)的 H,N 值并將點(diǎn)繪制在 HN圖上 , 并連成光滑的曲線 , 這就是該效率的值的等效率曲線 , 同理也可以得出其他的等效率曲線。2、出力線的繪制水輪機(jī)最大出力受到發(fā)電機(jī)額定出力和水輪機(jī) 5%出力貯備

17、線的雙重限制，在運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線圖上， HHr 時(shí)的出力線為 N=Hr 的一段垂直直線， HHr時(shí)水輪機(jī)出力受 5%出力貯備線的限制 , 設(shè)計(jì)水頭點(diǎn)與最低水頭點(diǎn)的連線即為出力線 .3、等吸出高度線的計(jì)算與繪制等吸出高度線可按下列方法步驟繪制：1 根據(jù)等效率曲線計(jì)算表中Q1 和 N 作不同水頭下Nf Q1 的輔助曲線；2 在相應(yīng)的模型綜合曲線上，作以各水頭下n1M 為常數(shù)的平線，它與等氣蝕系數(shù)線分別相交于許多點(diǎn)，記下各點(diǎn)的和 Q 1 值，并將其列入表中，表中值可由 H r在氣蝕系數(shù)的修正曲線；3 由上述已知的 Q 1 可在 Nf Q1 輔助曲線上查的相應(yīng)的N值，并記入表中；4由公式 H s10.

18、0H 計(jì)算出各值時(shí)相應(yīng)的吸出高900H s ，并列入表中；5根據(jù)表中對(duì)應(yīng)的H s 和 N作個(gè)水頭的 Nf Q 1 的輔助曲線，如附圖所示；-10-6 在 H s f N 的輔助曲線上，作某一 H s （如 H s）為常數(shù)平=-3m線，它與該輔助曲線交于許多點(diǎn)，并可得出各交點(diǎn)上的H、N 值在各點(diǎn)落在 H-N 坐標(biāo)場(chǎng)里并連接成光滑曲線，即為吸出高（H s）的=-3m等吸出高曲線，如附圖。第五章 蝸殼設(shè)計(jì)一 蝸殼型式的選擇由于所設(shè)計(jì)的水電站水頭小于 40m,為了節(jié)約鋼材 , 且梯形斷面與圓形斷面相等時(shí)，梯形斷面可以沿軸向上下延伸 , 與圓形相比徑向尺寸較小 , 可以減少?gòu)S房的面積和土建投資 , 所以

19、本設(shè)計(jì)采用了混凝土蝸殼 , 并采用平頂梯形斷面 .二 參數(shù)的選擇1 斷面形式因?yàn)?, 本設(shè)計(jì)采用了平頂梯形, 所以 n=0。當(dāng) n=0 時(shí),= 10 15,b =1.5 1.7 可達(dá)到 2.0, 本設(shè)計(jì)選用 =12,b =1.6 。aa2 包角選擇從蝸殼的鼻端至蝸殼進(jìn)口斷面之間的夾角稱為蝸殼包角, 常用來表示 , 對(duì)于混凝土蝸殼由于勘測(cè)流量較大, 允許的流速較小 , 通常采用=180 270, 本設(shè)計(jì)采用=270.3 進(jìn)口平均流速的確定當(dāng)蝸殼的斷面形式及包角確定后 , 蝸殼進(jìn)口斷面均流速Vc 是決定斷面尺寸的主要參數(shù),三 蝸殼的水利計(jì)算與蝸殼單線圖的繪制-11-(1) 斷面尺寸m12 tgrr

20、b )b根據(jù)公式Fc ab(ra其中b2，1.6aFcQ1 max125.0727018.76m2 ，查水電站設(shè)計(jì)手冊(cè) ( 水利機(jī)械360 Vc3605卷) 表 12-15, 可知 Da =6.35m Db =5.5m解得 a=3.53m b=5.65m m 1=4.15m b 0=1.5m(2) 確定中間斷面頂角點(diǎn)的變化規(guī)律a3.531.73km14.15根據(jù)水電站可知中間斷面面積Fi與包角的關(guān)系為FcQ1 max, 所以Ff ( ) 是直線 , 在進(jìn)口斷面做出若干個(gè)中間斷面,360 Vc結(jié)合已知數(shù)據(jù)可以求出每個(gè)斷面的面積Fi.(3) 蝸殼單線圖的繪制Ri ( m)ai ( m)mi (m)

21、i ( )Fi ( m2 )Max123456.716.3355.9755.5655.0654.4153.533.1602.8002.3901.8901.2004.153.673.262.782.201.44270225180135904518.7615.2812.229.176.113.06第六章尾水管的設(shè)計(jì)-12-一尾水管型式的選擇對(duì)于大中型水輪機(jī), 為了減少尾水管的開挖深度, 均采用彎肘形尾水管二尾水管尺寸設(shè)計(jì)由水電設(shè)計(jì)手冊(cè)查得 HL240 型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道尺寸 D2 =1.078 D1 ，尾水管尺寸采用推薦尺寸 .1 進(jìn)口直錐段進(jìn)口直錐段是一段垂直的圓錐形擴(kuò)散管, 進(jìn)口直徑為 D3 高

22、度為 h3錐管段均設(shè)金屬里襯, 以防止旋轉(zhuǎn)水流對(duì)管壁的破壞, 對(duì)混流式水輪機(jī), 單邊的擴(kuò)散角 的最優(yōu)值為 7 9, 本設(shè)計(jì)選用 8, 進(jìn)口直徑 D3 = D2 =1.078 D1 =4.42m.2 中間彎肘段 ( 肘管 )肘管是一段 90轉(zhuǎn)角的邊截面彎管 , 其進(jìn)口斷面為圓形 , 出口斷面為矩形 , 管內(nèi)一般不設(shè)金屬里襯。3 出口擴(kuò)散段出口擴(kuò)散段是一段水平放置, 兩側(cè)平行 , 頂板上翹的矩形擴(kuò)散管,傾角一般取10 15, 當(dāng)出口斷面寬度過大時(shí), 可按水工結(jié)構(gòu)要求加設(shè)中間設(shè)墩 , 它的厚度取 (0.10 0.15) B5 。4 尾水管尺寸的確定推薦的尾水管尺寸表hL54h4h6L15肘管形式適用

23、范圍BDh2.54.52.741.321.3520.671.751.31標(biāo)準(zhǔn)混凝混流 式土肘管D2D1-13-因?yàn)镈1 =4.1m, 所以可得 h=10.25m L=18.45mB=11.234m D45=5.543m h 4=5.543mh 6=2.747mL 1=7.175m h 5=5.371m混凝土標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸表B4L4aR6a1R7a2R82.741.750.4871.1601.4780.8150.1070.782因?yàn)?h 4=5.543m所以可以按上表求出下列各值B4=11.234m L 4 =7.175m a=1.997m R =4.756ma =6.06mR=3.342ma =

24、0.439m61728R=3.206m .三繪制尾水管平面和剖面單線圖見附圖第七章發(fā)電機(jī)的選擇（一）發(fā)電機(jī)型式的選擇水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式主要取決于水輪機(jī)的型式和轉(zhuǎn)速， 同時(shí)要兼顧廠房的布置要求，本設(shè)計(jì)水輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 n=107.1r/min, 故采用傘式水輪發(fā)電機(jī) .（二）各參數(shù)的確定由機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)表3-11, 對(duì)照本設(shè)計(jì)的具體情況選擇型號(hào)為SF4556/900 的水輪發(fā)電機(jī) , 其主要參數(shù)及外形尺寸如下:SF4556/900型式半傘式額定容量 45MW-14-效率因數(shù)0.85額定電壓 U10500V額定轉(zhuǎn)速 n=107.1r/min飛逸轉(zhuǎn)速 n f 235r/min飛輪力矩 GD21150

25、0t?m2推力軸承負(fù)荷P570t轉(zhuǎn)子重量 GZ250t定子重量 Gd109t總 重 量GF500t最 大 運(yùn) 輸 部 件 外 形 尺 寸832.6最大運(yùn)輸部件重量 30t定子鐵芯的外徑900cm定子鐵芯的內(nèi)徑842cm 定子鐵芯的長(zhǎng)度lt=135cm定子機(jī)座高度 h12590上機(jī)架高度 h2838推力軸承 h3870勵(lì)磁機(jī)高度 h42070永磁機(jī)及轉(zhuǎn)速繼電器高度h6455定子支撐面至下機(jī)架支承面距離距離h8785轉(zhuǎn)子磁軛軸向高度h101980發(fā)電機(jī)主軸高度h112035( 副)7020( 主)定子支承面至發(fā)電機(jī)層樓高度h3428定子水平線至法藍(lán)底面距離h126120法藍(lán)底面至發(fā)電機(jī)頂部高程H9055機(jī)座外徑10170風(fēng)罩內(nèi)徑12800轉(zhuǎn)子外徑8390下機(jī)架最大跨度7760（三）繪制發(fā)電機(jī)圖見附圖-15-第八章調(diào)速設(shè)備選擇（一）調(diào)速器選擇1、調(diào)速功的計(jì)算水輪機(jī)的調(diào)速功A 為：A200 250QH m ax D 1式中 Q 為水輪機(jī)在最大水頭 H max38m 下以額定出力 N r40816 KW 工作時(shí)的流量，可依下式求得：QN r109.49 m3 / s9.81H maxA 200 250 109.